JP5400553B2 - 溶融金属製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭材内装酸化金属塊成化物を還元溶融するとともに、金属スクラップや還元金属を溶解して溶融金属を製造する溶融金属製造装置に関する。

溶鉄（溶銑ないし溶鋼）を製造する既存の技術としては、高炉−転炉法または電気炉法がある。

既存の高炉−転炉法においては、高炉にて原料として酸化鉄を主成分とする塊鉱石、焼結鉱、ペレットなどを使用し、鉄スクラップや還元鉄の使用は、転炉にて溶銑の余剰熱量で溶解可能な少量使用に留まっている。

一方、既存の電気炉においては、基本的に還元機能を有しないため、原料として鉄スクラップや還元鉄を使用し、酸化鉄である鉄鉱石はほとんど使用されていない。

しかしながら、鉄スクラップや還元鉄の市場価格は大きく変動するので、鉄スクラップや還元鉄の価格が下落した場合には電気炉メーカの競争力が極めて強化されて相対的に高炉メーカの競争力を低下させ、逆にスクラップや還元鉄の価格が高騰した場合には電気炉メーカの競争力が低下し、時には事業継続さえも困難となる事態を招いている。

このため、スクラップや還元鉄の市場価格の変動に影響されることなく、競争力を常に維持できる溶鉄の製造技術の開発が強く要請されていた。

一方、従来の高炉法や溶融還元法に代わる新しい製鉄法として、炭材内装酸化金属塊成化物を回転炉床炉で予備還元して固体還元金属とし、この固体還元金属をアーク炉またはサブマージドアーク炉などの電気炉で溶解して溶融金属を得る溶融金属製造プロセスが種々提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

しかしながら、これらのプロセスは、回転炉床炉による予備還元工程と溶解炉による溶解工程の２工程からなる構成を必須としており、回転炉床炉から溶解炉への固体還元金属の移送手段を必要とすることや、排ガス処理系統を２系統必要とすることなどにより、トータルプロセスとして、設備コストが高くなることに加え、熱ロスも大きく、エネルギ原単位も十分に低減できない問題があった。

そこで、本発明者は、回転炉床炉を用いることなく、電気式加熱炉だけで、炭材内装酸化金属塊成化物を還元するとともに溶解して溶融金属を製造する具体的方法について種々検討を実施した結果、以下の発明を完成させるに至り、既に特許出願を行った（特願２００９−１０５３９７；以下、本特許出願に係る発明を「先願発明」という。）。

上記先願発明は、原料装入シュート４，４を炉幅両端部２，２に、電極５を炉幅の中央部に、炉上部に二次燃焼バーナ６をそれぞれ設置した定置式非傾動型電気式加熱炉ただしここではアーク炉を用い、予めシュート４，４から炭材Ａを装入して電極５下方に向かう下り斜面を有する炭材充填層（本願発明の「原料充填層」に相当）１２を形成しておき、次いで炭材内装酸化金属塊成化物Ｂを装入して炭材充填層１２斜面上に塊成化物層（本願発明の「塊状金属原料層」に相当）１３を形成し、その後電極５にてアーク加熱を行い塊成化物層１３下端部を順次溶融して、炉内に溶融金属層１４と溶融スラグ層１５を形成するとともに、塊成化物層１３を炭材充填層１２斜面に沿って降下させつつ、二次燃焼バーナ６から吹込んだ酸素含有ガスＣで、塊成化物層１３から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により塊成化物層１３を加熱する溶融金属の製造方法である（図１参照；ただし、同図においてスクラップ等Ｓは使用せず）。

上記先願発明によれば、炉内に形成した炭材充填層の斜面に沿って塊成化物層を電極に向かって移動させつつ、該塊成化物層から発生したＣＯ含有ガスを二次燃焼バーナから吹き込んだ酸素含有ガスで燃焼し、その放射熱で該塊成化物層自身を加熱して予備還元し、この予備還元された塊成化物層を上記電極近傍でアーク加熱により還元溶融して溶融金属とするので、単一の工程にて、炭材内装酸化金属塊成化物から直接溶融金属が得られ、従来法に比べて設備コストおよびエネルギ原単位がともに大幅に低減できるようになった。

しかしながら、上記先願発明は、原料として炭材内装酸化金属塊成化物のみを用いるものであり、鉄スクラップや還元鉄との併用については未検討であった。

特表２０００−５１３４１１号公報 特表２００１−５１５１３８号公報 特表２００１−５２５４８７号公報 特開２００３−１０５４１５号公報

そこで、本発明は、金属スクラップや還元金属の価格変動に影響されることなく、常に競争力を有する溶融金属製造装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとが接続されるとともに、前記原料装入シュートは炉幅の片端部に設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の他端部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、予め、前記原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、前記炉幅の片端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、次いで、前記原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱し還元することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、金属スクラップおよび／または還元金属（以下、これらを「スクラップ等」と総称する。）が、前記複数の原料装入シュートのうちの一部の原料装入シュートおよび／または別途設置されたスクラップ等装入シュートから炉内に装入できるように構成されたことを特徴とする溶融金属製造装置である。

請求項２に記載の発明は、電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとを接続するとともに、原料装入シュートは、炉幅の両端部にそれぞれ設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の中央部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、予め、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、該炉幅の両端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、次いで、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、金属スクラップおよび／または還元金属（以下、これらを「スクラップ等」と総称する。）が、前記複数の原料装入シュートのうちの一部の原料装入シュートおよび／または別途設置されたスクラップ等装入シュートから炉内に装入できるように構成されたことを特徴とする溶融金属製造装置である。

請求項３に記載の発明は、前記スクラップ等を炉内に装入する経路に、炉内ガスの一部を抜き出すことができるガス抜き出し用ダクトを設けた請求項１または２に記載の溶融金属製造装置である。

請求項４に記載の発明は、前記ガス抜き出し用ダクトが、前記排ガスダクトに接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置である。

請求項５に記載の発明は、前記塊状金属原料が、炭材内装酸化金属塊成化物、金属スクラップ、還元金属、酸化金属塊鉱石、炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱よりなる群から選ばれた１種以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置である。

本発明によれば、炭材内装酸化金属塊成化物とスクラップ等を併用して溶融金属を製造することができるので、スクラップ等の価格が下落した時にはスクラップ等の配合を多くし、逆にスクラップ等の価格が高騰した時には炭材内装酸化金属塊成化物の配合を多くすることにより、常に競争力の高い溶融金属製造プロセスが構築できる。

実施形態に係る溶融金属製造装置（定置式非傾動型アーク炉）の概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。 別の実施形態に係る溶融金属製造装置（定置式非傾動型アーク炉）の概略構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

[実施形態]
〔装置の構成〕
図１に、本発明の一実施形態に係る溶融金属製造装置の概略構成を示す。本実施形態に係る装置は、定置式非傾動型電気炉の電気炉の形式としてアーク炉（以下、単に「炉」ということもある。）を用いており、この炉は水平断面形状が略矩形に構成されたものであり、炉上部（本例では炉天井部１）には、排ガスダクト３、複数の原料装入シュート４が接続されるとともに、炉天井部１を介して炉内に電気加熱手段としての複数本の電極５が挿入されている。原料装入シュート４は、炉幅の両端部２，２にそれぞれ設置される一方、電極５は、炉幅の中央部に設置されている。さらに、炉上部（本例では炉天井部１）には、複数本の二次燃焼バーナ６が設けられている。

排ガスダクト３は、電極５より原料装入シュート４に近い側に設置するのが好ましい。二次燃焼後の酸化性の排ガスが電極５の方に流れて電極５を損傷するのを抑制するためである。

電極５と二次燃焼バーナ６との間、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間には、炉内に垂下する隔壁９，１０，１１を設けるのが好ましい。

電極５と二次燃焼バーナ６との間に隔壁９を設けるのが推奨されるのは、上記と同様、二次燃焼後の酸化性排ガスが電極５に接触するのを防止するためである。

また、二次燃焼バーナ６と排ガスダクト３との間に隔壁１０を設けるのが推奨されるのは、二次燃焼後の排ガスが排ガスダクト３へショートカットするのを防止して、塊状金属原料層１３への放射伝熱量を十分に確保するためである。

また、排ガスダクト３と原料装入シュート４との間に隔壁１１を設けるのが推奨されるのは、原料装入シュート４が高温の排ガスで過熱されて損傷するのを防止するためである。

隔壁９，１０，１１は、設置による上記各効果の度合い、設置コスト、メンテナンスの手間等を総合的に勘案して、その全部を設置するようにしてもよいし、その一部を設置するようにしてもよい。

そして、炉下部には、原料装入シュート４が設けられていない（すなわち、炉内に原料充填層１２が形成されていない）炉長手側の炉側壁に、出銑孔７と排滓孔８とを設けるのが好ましい。出銑滓の際における開孔作業を容易にするためである。

また、排ガスダクト３の下流側には、周知の熱交換器（図示せず）を設置すればよく、これにより炉から排出された高温排ガスの顕熱を回収して、二次燃焼バーナ用酸素含有ガスの予熱や、アーク用電力の発電やペレットＢの乾燥等のエネルギとして有効利用することができる。

電極５としては、例えば、熱効率に優れた、製鋼用アーク電気炉で常用される三相交流型のものが推奨される。そして例えば、三相電極の各２相の組合せでできる３組の単相電極から電極６本を作るという構成を採用するのが推奨される。

また、電極５は、その先端部を後記塊状金属原料層１３または溶融スラグ層１１中に位置させ（浸漬させ）つつ、溶解操作を行うのが好ましい。これにより、アークによる放射加熱と抵抗加熱の効果を並存させることができ、溶解をより促進することができるとともに、後記原料充填層１２で保護されていない炉壁内面の損傷を抑制することができる。

以下、この定置式非傾動型アーク炉を使用して、炉内に原料充填層を形成するための充填層形成用原料として石炭を、該原料充填層上に積層する塊状金属原料として炭材内装酸化金属塊成化物である炭材内装酸化鉄ペレットのみを、スクラップ等として鉄スクラップをそれぞれ用い、溶融金属として溶鉄を製造する場合を例に挙げて説明する。

〔溶融金属の製造方法〕
予め、上記炉幅の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から所定量の充填層形成用原料としての石炭Ａを炉内に装入して、該炉幅の両端部２，２から、電気加熱手段としての電極５で加熱される電気加熱領域である「電極５の下端部の下方」に向かう下り勾配の斜面１２ａを有する原料充填層１２を形成しておく。ここで、石炭Ａの粒度は、後記炭材内装酸化鉄ペレットＢや鉄スクラップＳが原料充填層１２の空隙内に潜り込まない程度に、炭材内装酸化鉄ペレットＢや鉄スクラップＳの粒度に応じて調整しておくとよい。

次いで、上記炉幅の両端部２，２に設置された原料装入シュート４，４から塊状金属原料としての炭材内装酸化金属塊成化物である炭材内装酸化鉄ペレット（以下、単に「ペレット」ともいう。）Ｂのみを連続的または間欠的に装入して、原料充填層１２の斜面１２ａ上に塊状金属原料層としてのペレット層１３を形成する。ペレットＢ中の内装炭材の配合量は、酸化鉄が金属鉄まで還元されるに必要な理論Ｃ量に、溶鉄の目標Ｃ濃度を加味して決定するとよい。なお、ペレットＢは、炉内装入時に爆裂（バースティング）しないように、事前に乾燥しておくのが好ましい。

一方、鉄スクラップＳは、複数の原料装入シュート４のうち一部の原料装入シュート４を用いて、連続的または間欠的に装入する。これにより、鉄スクラップＳは、ペレットＢとともに、ペレット層１３の一部を形成することとなる。なお、鉄スクラップＳの装入に用いる、上記一部の原料装入シュート４の数は、鉄スクラップＳの配合比率に応じて適宜調整すればよい。

電極５は、上述のごとく、その下端部がペレット層１３中に浸漬された状態となるように、予め高さを調節しておくとよい。

その後、前記電極に通電してアーク加熱を行うことにより、ペレット層１３の下端部近傍のペレットＢや鉄スクラップＳが急速に加熱されて順次還元溶融ないし溶解し、溶融金属としての溶鉄と溶融スラグとに分離され、炉下部に溶鉄層１４と溶融スラグ層１５を形成する。なお、溶融スラグ層１５の塩基度等を調整するため、ペレットＢ中には、予め石灰石やドロマイトなどのＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておくのが好ましい。

上記のようにして、ペレット層１３の下端部近傍からペレットＢや鉄スクラップＳが順次溶融ないし溶解されていくと、ペレット層１３自体はその自重により前記原料充填層の斜面に沿って電極５の下端部に向かって炉内を順次降下していくこととなる。なお、万一ペレット層１３中のペレットＢや鉄スクラップＳの一部が原料充填層１２の空隙内に潜り込んだとしても、該ペレットＢや鉄スクラップＳの一部は炉内に長時間滞留するため加熱還元ないし加熱されてやがて溶融ないし溶解し、溶鉄と溶融スラグに分離して原料充填層１２の空隙を介して炉下部の溶鉄層１４および溶融スラグ層１５に滴下するので問題ない。

そして、ペレット層１３中のペレットＢが電極５に近づくと、電極５からのアークによる放射熱と抵抗加熱により効率的に加熱され、ペレットＢ中の酸化鉄が内装炭材により固体金属鉄に予備還元されるとともに、ＣＯ含有ガス（可燃性ガス）を生成する。内装炭材として石炭など揮発分を含有する炭材を用いた場合は、加熱により内装炭材から脱揮された揮発分も該ＣＯ含有ガスに加わる。

このＣＯ含有ガスは、炉天井部１に設けられた二次燃焼バーナ６から吹込まれた酸素含有ガスとしての例えば酸素ガスにより燃焼（二次燃焼）され、その放射熱にてもペレット層１３は加熱される。このように放射熱にて加熱されたペレット層１３は、上記電極５からのアークによる放射加熱と抵抗加熱による場合と同様、ペレットＢ中の酸化鉄を固体金属鉄に予備還元するとともにＣＯ含有ガスを生成するので、上記二次燃焼による放射加熱がさらに促進されることとなる。

上記のようにして、原料供給シュート４から炉内に装入されたペレットＢは、原料充填層１２の斜面１２ａ上を降下する間に、上記二次燃焼による放射加熱（以下、「二次燃焼熱」ともいう。）により固体状態で高金属化率まで予備還元された後、電極５下端部近傍でアーク加熱および抵抗加熱により溶融し、溶鉄と溶融スラグとに分離されることとなる。

一方、一部の原料供給シュート４から炉内に装入された鉄スクラップＳは、原料充填層１２の斜面１２ａ上をペレットＢとともに降下する間に、上記二次燃焼による放射加熱（以下、「二次燃焼熱」ともいう。）により予熱された後、電極５下端部近傍でアーク加熱および抵抗加熱により溶解し、溶鉄となる。

したがって、電極５下端部近傍に生成する溶融スラグ中の酸化鉄濃度は十分に低くなり、電極５の損耗を抑制することができる。

溶融スラグと分離された溶鉄は、ペレットＢ中に残存する炭材を溶解して目標Ｃ濃度の溶鉄となる。

このようにして生成した、溶鉄と溶融スラグは、炉下部に設けた出銑孔７と出滓孔８から、例えば高炉の出銑滓方法と同様にして、間欠的に排出することができる。

一方、初期に炉内に石炭Ａを装入して形成した原料充填層１２は、炉内で徐々に加熱されて、その揮発分が除去され、やがてチャー化ないしコークス化する。除去された揮発分は、ペレット層１３から発生するＣＯ含有ガスとともに、二次燃焼バーナ６から吹込まれた酸素含有ガスで燃焼され、ペレット層１３の放射加熱エネルギとして有効に利用される。上述したように、ペレットＢ中の内装炭材のＣにて内装酸化鉄の還元および溶鉄への浸炭が賄われるので、チャー化ないしコークス化した原料充填層１２は、理論上は消費されないが、実操業では、原料充填層１２中に潜り込んだペレットＢとの直接還元反応や、溶鉄への浸炭反応等により長期間の操業中に徐々に消費されていく。したがって、例えば一定の操業期間ごとに、原料装入シュート４からのペレットＢの供給と、上記一部の原料装入シュート４からの鉄スクラップＳの供給を停止した状態にて、少なくともアーク加熱を一定時間継続して、炉内のペレット層１３をほぼ完全に溶融し切って原料充填層１２の斜面１２ａを露出させたのち、アーク加熱および二次燃焼を中断した状態で、原料装入シュート４から石炭（炭材）Ａを所定量装入することで、原料充填層１２の炉内充填量を維持することができる。

炉幅の両側壁の内面は、原料充填層１２で覆われているので、これらの部分の耐火物の損耗は大幅に抑制される。したがって、原料充填層１２で覆われていない、長手方向の両側壁にのみ、耐腐食性に優れた高品質の耐火物や水冷構造を採用すればよく、大幅に設備コストを低減できることとなる。

また、鉄スクラップＳを炉内に装入する経路に炉内ガスの一部を抜き出すことができるガス抜き出し用ダクトを設けるのが好ましい。図１ではこのガス抜き出し用ダクトの図示を省略したため、図２を用いて説明を行う。すなわち、図２は、本実施形態と異なり、鉄スクラップＳを装入するのに複数の原料装入シュート４の一部を兼用するのではなく、別途スクラップ等専用ホッパ１７およびスクラップ等専用シュート１８を設置した例（後記変形例参照）であるが、同図に示すように、スクラップ等専用シュート１８にガス抜き出し用ダクト１６を設けるとよい。あるいは、スクラップ等専用シュート１８の上流側に設置したスクラップ等ホッパ１７にガス抜き出し用ダクト１６を設けてもよい。これにより、鉄スクラップＳが炉内に装入されるまでに高温の炉内ガスの一部で乾燥・予熱され、溶解電気量を削減することが可能となる。

また、上記ガス抜き出し用ダクトは、排ガスダクト３に接続しておくことが好ましい。上記ガス抜き出し用ダクトから抜き出した炉内ガスの一部（以下、「抜き出しガス」と呼ぶ。）の温度は、鉄スクラップＳとの熱交換により例えば炉内における１２００〜１４００℃から９００℃以下に低下する。このため、鉄スクラップＳに廃プラスチックや油分が含まれていた場合には、これらを完全に燃焼させることができず、上記抜き出しガスに伴って有害な未燃分が系外に排出されてしまうこととなる。また、上記抜き出しガス中にダイオキシンそのものや、ダイオキシンの再合成に繋がる成分が含まれている場合には、やはり有害なダイオキシンが分解されないまま系外に排出されることとなる。そこで、上記ガス抜き出し用ダクトを排ガスダクト３に接続しておくことにより、上記のように低温化した抜き出しガスを高温の排ガスに合流させて再度高温化することで、上記未燃分を完全燃焼したり、ダイオキシンを分解したりして無害化できる。

（変形例）
上記実施形態では、原料装入シュート４および電極５の配置に関し、原料装入シュート４を炉幅の両端部２，２にそれぞれ設置する一方、電極５を炉天井部１の炉幅中央部に設置する例を示したが、原料装入シュート４を炉幅の片端部２に設置する一方、電極５を炉幅の他端部２に設置するようにしてもよい。本変形例を採用すると、炉内に形成される原料充填層１２の斜面が片側だけになるので、上記実施例に比べて、耐火物保護の観点からは不利になるが、炉幅が縮小され、設備のコンパクト化が図れるメリットがある。
なお、上記実施形態では、電極５を炉幅の中央部に設置する一例として、電極５を炉幅の中心線上に設置する例を示したが、必ずしも厳密に炉幅の中心線上に設置することに限定されるものではなく、炉幅の中心線上から炉幅のいずれかの端部の方へずらして設置することも許容される。

また、上記実施形態では、スクラップ等Ｓの装入用シュートとして、複数の原料装入シュート４のうち一部の原料装入シュート４を兼用する例を示したが、複数の原料装入シュート４とは別途１または複数のスクラップ等専用シュートを設けてもよい（図２参照；なお、同図には、スクラップ等専用シュート１８の上流側にスクラップ等専用ホッパ１７を設けた例を示す。）。この場合、上記スクラップ等専用シュートは必ずしも炉幅の端部に設置する必要はなく、例えば電源として後記の三相電源を用いるときには、スクラップ等の溶解効率を促進するため、その３本の電極で囲まれる中心部に設置してもよい。また、上記スクラップ等専用シュートを設ける場合には、上記実施の形態の説明中で既述したが、上記ガス抜き出し用ダクトは、該スクラップ等専用シュート自体またはその上流側に設置されたスクラップ等ホッパに設ければよい（図２参照）。また、上記一部の原料装入シュート４とスクラップ等専用シュートを併用してスクラップ等Ｓを装入してもよい。

また、上記実施形態では、スクラップ等Ｓの装入とその予熱をホッパとシュートの組み合わせで行う例を示したが、密閉式の振動フィーダとシュートの組み合わせを用いてもよい。

また、上記実施形態では、排ガスダクト３と原料装入シュート４は、いずれも炉天井部１に接続する例を示したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方または双方を炉側壁の上部に接続するようにしてもよい。なお、原料装入シュート４を炉側壁の上部に接続した場合は、原料装入シュート４は自動的に炉幅の端部に設置されることになる。

また、上記実施形態では、定置式非傾動型アーク炉の水平断面形状として、略矩形のものを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば略楕円のものや真円のものを用いてもよい。この場合単相電極でなく、三相電源の各相を用いて３本の電極を作るように構成してもよい。ただし、略矩形のものを用いた場合、炉幅は一定にしておいて、炉長手方向（炉幅方向に垂直な方向）を延長することで、スケールアップを容易に行えるメリットがある。

また、上記実施形態では、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂの形態として、ペレットを例示したが、ブリケットを採用してもよい。ブリケットは、球状のペレットより安息角が大きいので、原料充填層１２の斜面１２ａ上における滞留時間を確保するためには、ペレットを用いた場合に比べて、炉高は高くする必要があるものの、炉幅は縮小できるメリットがある。

また、上記実施形態では、塊状金属原料として炭材内装酸化金属塊成化物（炭材内装酸化鉄ペレット）のみを用いる例を示したが、炭材内装酸化金属塊成化物（炭材内装酸化鉄ペレット、炭材内装酸化鉄ブリケット）に代えて、塊状金属スクラップ（鉄スクラップ）、還元金属（還元鉄［ＤＲＩ、ＨＢＩ］）、塊状酸化金属鉱石（塊状鉄鉱石）、塩化金属を含有する炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱（焼成酸化鉄ペレット、コールドボンド酸化鉄ペレット、酸化鉄焼結鉱）を用いてもよいし、炭材内装酸化金属塊成化物、金属スクラップ、還元金属、塊状酸化金属鉱石、炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱よりなる群から選択される１種以上を用いてもよい。

また、上記実施形態では、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとして、非揮発性の金属元素である鉄のみを含有するものを例示したが、非揮発性の金属元素の他、揮発性の金属元素、例えば、Ｚｎ、Ｐｂを含有するものであってもよい。すなわち、塊成化物Ｂとして、揮発性の金属元素を含有する製鉄所ダストなどを酸化金属原料を用いることができる。揮発性の金属元素は、炉内で加熱されて炭材内装酸化金属塊成化物Ｂから揮発除去されるが、本発明方法の採用により、二次燃焼バーナ６による燃焼熱によって炉上部の温度を十分に高く保持できるので、揮発除去された該揮発性金属元素が、炉上部で再凝縮することが確実に防止され、炉から排出された排ガスから該揮発性金属元素を効率的に回収することができる。

なお、本明細書において、揮発性金属元素とは金属単体またはその塩等の化合物の１気圧での融点が１１００℃以下の金属元素をいう。金属単体として例えば、亜鉛、鉛等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物として例えば塩化ナトリウム、塩化カリウム等を挙げることができる。揮発性金属元素の化合物中の揮発性金属は、電気炉（例えば、アーク炉、サブマージドアーク炉）で金属に還元されることで、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。また、揮発性金属元素の塩化物は、電気炉内で加熱されて、その一部またはすべてが炉内で気体状態で存在する。一方、非揮発性金属元素とは金属単体またはその酸化物等の化合物の１気圧での融点が１１００℃を超える金属元素をいう。金属単体として例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等を挙げることができる。非揮発性金属の酸化物として、例えば、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等を挙げることができる。非揮発性金属元素の化合物は、電気炉としてアーク炉やサブマージドアーク炉を用いたときには、炉内での加熱や還元反応によって、還元された金属単体としてまたは還元されない化合物として、炉内アーク近傍（アーク温度領域）では気体状態で存在できるものの、アークから離れたところでは液体または固体状態で存在する。

また、上記実施形態では、スクラップ等Ｓとして、鉄スクラップを例示したが、ＤＲＩやＨＢＩ等の還元鉄を用いてもよく、これらを例えば需給に応じて適宜併用してもよい。

また、上記実施形態では、塊状金属原料としての炭材内装酸化金属塊成化物Ｂ、スクラップ等Ｓおよび溶融金属１４を構成する金属元素として鉄（Ｆｅ）のみを例示したが、Ｆｅの他、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の非鉄金属を含有してもよい。

また、上記実施形態では、溶融スラグの塩基度調整手段として、炭材内装酸化金属塊成化物Ｂに予めＣａＯ源やＭｇＯ源を添加しておく手段を例示したが、この手段に代えてまたは加えて、原料装入シュート４から炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとともに石灰石やドロマイトを装入するようにしてもよいし、別途設けたシュートから炭材内装酸化金属塊成化物Ｂとは別に装入するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、原料充填層１２を形成する炭材として、石炭を例示したが、コークスを用いてもよい。コークスを用いた場合、すでに乾留されており、炉内で揮発分が発生しないため、二次燃焼への寄与は低下するものの、石炭より粉化されにくいので、飛散ロス量を低減できるメリットがある。

さらには、原料充填層１２を形成する充填層形成用原料として、石炭やコークスなどの炭材に代えてまたは加えて塊状金属原料を用いてもよい。原料充填層１２を形成する原料として塊状金属原料を用いても、溶鉄との接触部分においては還元・溶融が進行するものの、該溶鉄との接触部分から離れた部分には熱が伝わりにくく、塊状金属原料は固体状態に維持されるため、一旦形成された原料充填層１２は長期間充填層状態に保たれる。また、原料充填層１２内の温度は上記溶鉄との接触部分から離れて炉壁に近づくほど低下するので、溶融ＦｅＯの形成による耐火物の損傷も問題とならない。

また、上記実施形態では、二次燃焼バーナ６は炉天井部にのみ設置する例を示したが、これに加えてさらに長手方向の側壁上部に設けてもよく、また、例えば炉長が短い場合は、長手方向の側壁上部にのみ設けてもよい。

また、上記実施形態では、出銑孔７と排滓孔８とを、対向する側壁にそれぞれ分けて設置する例を示したが、同じ側壁側に両者とも設置してもよいし、あるいは、排滓孔８を省略して出銑孔７のみを設置し、該出銑孔７から溶鉄と溶融スラグを排出するようにしてもよい。

１…天井部
２…炉幅の端部
３…排ガスダクト
４…原料装入シュート
５…電極
６…二次燃焼バーナ
７…出銑孔
８…出滓孔
９、１０、１１…隔壁
１２…原料充填層
１２ａ…斜面
１３…塊状金属原料層（ペレット層）
１４…溶融金属層（溶鉄層）
１５…溶融スラグ層
１６…ガス抜き出し用ダクト
１７…スクラップ等専用ホッパ
１８…スクラップ等専用シュート
Ａ…炭材（石炭）
Ｂ…塊状金属原料（炭材内装酸化金属塊成化物、炭材内装酸化鉄ペレット）
Ｃ…酸素含有ガス（酸素）
Ｓ…スクラップ等（鉄スクラップ）

Claims (5)

1. 電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとが接続されるとともに、
   前記原料装入シュートは炉幅の片端部に設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の他端部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、
   予め、前記原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、前記炉幅の片端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、
   次いで、前記原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、
   その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱し還元することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、
   金属スクラップおよび／または還元金属（以下、これらを「スクラップ等」と総称する。）が、前記複数の原料装入シュートのうちの一部の原料装入シュートおよび／または別途設置されたスクラップ等装入シュートから炉内に装入できるように構成されたことを特徴とする溶融金属製造装置。
2. 電気加熱手段を有する定置式非傾動型電気炉の炉上部に排ガスダクトと原料装入シュートとを接続するとともに、
   原料装入シュートは、炉幅の両端部にそれぞれ設置される一方、前記電気加熱手段は、該電気加熱手段で加熱される電気加熱領域が炉幅の中央部に存在するように設置されるとともに、炉上部に二次燃焼バーナが設置され、
   予め、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから炭材および／または塊状金属原料を所定量炉内に装入して、該炉幅の両端部から前記電気加熱領域に向かう下り勾配の斜面を有する原料充填層を形成しておき、
   次いで、前記炉幅の両端部に設置した原料装入シュートから塊状金属原料を連続的または間欠的に装入して、前記原料充填層の斜面上に塊状金属原料層を形成し、
   その後、前記電気加熱手段にて電気加熱を行って、前記塊状金属原料層の下端部近傍の塊状金属原料を順次溶融することにより、炉内に溶融金属層と溶融スラグ層を形成するとともに、前記塊状金属原料層を前記原料充填層の斜面に沿って降下させつつ、前記二次燃焼バーナから前記塊状金属原料層より上方の炉内空間部に酸素含有ガスを吹き込んで、前記塊状金属原料層から発生するＣＯ含有ガスを燃焼させ、その放射熱により前記塊状金属原料層を加熱することにより溶融金属を製造する溶融金属製造装置であって、
   金属スクラップおよび／または還元金属（以下、これらを「スクラップ等」と総称する。）が、前記複数の原料装入シュートのうちの一部の原料装入シュートおよび／または別途設置されたスクラップ等装入シュートから炉内に装入できるように構成されたことを特徴とする溶融金属製造装置。
3. 前記スクラップ等を炉内に装入する経路に、炉内ガスの一部を抜き出すことができるガス抜き出し用ダクトを設けた請求項１または２に記載の溶融金属製造装置。
4. 前記ガス抜き出し用ダクトが、前記排ガスダクトに接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置。
5. 前記塊状金属原料が、炭材内装酸化金属塊成化物、金属スクラップ、還元金属、酸化金属塊鉱石、炭材内装塩化金属塊成化物および酸化金属塊成鉱よりなる群から選ばれた１種以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶融金属製造装置。

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